【正文】 nes. Its major hot technologies include operating system, system chip design, application software development and service research. After an introduction of the architecture of ARM, the characteristics and working principles of embedded systems have been studied in this paper. Moreover, research and development of the kernel process of Linux , a kind of operating system, have been achieved. Through crosspiler and crossdebugging, crossdevelopment environment was established and the embedded Linux kernel pilation and transplantation was realized. With the principles and methods of the embedded system design thoroughly elaborated, this paper tires the principles and key techniques of embedded system boardgrade design based on ARM for the application of design procedures. The principles and methods that are explained by the text can be used for the exploitation and application. Key words: Embedded System。它是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的，軟件硬件可剪裁，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 在當(dāng)前數(shù)字信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展的后 PC（ PostPC）時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地滲透到科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)、軍事技術(shù)、各類產(chǎn)業(yè)和商業(yè)文化藝術(shù)以及人們的日常生活等方方面面中。 μClinux 是專門為無 MMU 處理器設(shè)計(jì)的嵌入式操作系統(tǒng)，支持 ARM、motorola 等微處理器。 課題的歷史、現(xiàn)狀及前景 嵌入式系統(tǒng)的歷史 雖然嵌入式系統(tǒng)是近幾年才風(fēng)靡起來的，但是這個(gè)概念并非新近才出現(xiàn)。 70 年代單片機(jī)的出現(xiàn)，使得汽車、家電、工業(yè)機(jī)器、通信裝置以及成千上萬種產(chǎn)品可以通過內(nèi)嵌電子裝置來獲得更佳的使用性基于 ARM 的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā) 4 能：更容易使用、更快、更便宜。之后在 80 年代初， Intel 又進(jìn)一步完善了 8048，在它的基礎(chǔ)上研制成功了 8051，這在單片機(jī)的歷史上是值得紀(jì)念的一頁(yè)，迄今為止， 51 系列的單片機(jī)仍然是最為成功的單片機(jī)芯片，在各種產(chǎn)品中有著非常廣泛的應(yīng)用。這些嵌入式操作系統(tǒng)都具有嵌入式的典型特點(diǎn)：它們均采用占先式的調(diào)度，響應(yīng)的時(shí)間很短，任務(wù)執(zhí)行的時(shí)間可以確 定；系統(tǒng)內(nèi)核很小，具有可裁剪，可擴(kuò)充和可移植性，可以移植到各種處理器上；較強(qiáng)的實(shí)時(shí)和可靠性，適合嵌入式應(yīng)用。除了上面的幾家老牌公司以外，還出現(xiàn)了 Palm OS， WinCE，嵌入式 Linux，Lynx， Nucleux，以及國(guó)內(nèi)的 Hopen， Delta Os 等嵌入式操作系統(tǒng)。我國(guó)著名嵌入式系統(tǒng)專家沈緒榜院士 98 年 11月在武漢全國(guó)第 11 次微機(jī)學(xué)術(shù)交流會(huì)上發(fā)表的《計(jì)算機(jī)的發(fā)展與技 術(shù)》一文中，對(duì)未來 10 年以嵌入式芯片為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)工業(yè)進(jìn)行了科學(xué)的闡述和展望。在廣播電視領(lǐng)域，美國(guó)已開始由模擬電視向數(shù)字電視轉(zhuǎn)變，歐洲的 DVB（數(shù)字電視廣播）技術(shù)已在全球大多數(shù)國(guó)家推廣。象前途無可計(jì)量的維納斯計(jì)劃生產(chǎn)機(jī)頂盒，核心技術(shù)就是采用 32 位以上芯片級(jí)的嵌入式技術(shù)。 目前一些先進(jìn)的 PDA 在顯示屏幕上已實(shí)現(xiàn)漢字寫入、短消息語音發(fā)布，日用范圍也將日益廣闊。 硬件方面，不僅有各大公司的微處理器芯片，還有用于學(xué)習(xí)和研發(fā)的各種配套開發(fā)包。國(guó)外商品化的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，已進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)的有 WindRiver、 Microsoft、 QNX 和 Nuclear 等產(chǎn)品。對(duì)于軟件設(shè)計(jì)來說，不管是上手還是進(jìn)一步開發(fā)，都相對(duì)來說比較容易。 1998 年 11 月在美國(guó)加州舉行的嵌入式系統(tǒng)大會(huì)上，基于RTOS 的 Embedded Inter 成為一個(gè)技術(shù)新熱點(diǎn)。由此可見，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的空間 真是無比廣大。當(dāng)然，這也是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。 (3) 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)成為必然趨勢(shì)。 湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 7 (4) 精簡(jiǎn)系統(tǒng)內(nèi)核、算法，降低功耗和軟硬件成本。 嵌入式設(shè)備能與用戶親密接觸，最重要的因素就是它能提供非常友好的用戶界面。目前一些先進(jìn)的 PDA 在顯示屏幕上已實(shí)現(xiàn)漢字寫入、短消息語音發(fā)布，但一般的嵌入式設(shè)備距離這個(gè)要求還有很長(zhǎng)的路要走。第 5 章為 uClinux 操作系統(tǒng)的移植。他是以應(yīng)用為中央，軟件和硬件可裁減的，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴(yán)格需要的專用電腦系統(tǒng)。 嵌入式系統(tǒng)的硬件部分，包括處理器 /微處理器、存儲(chǔ)器及外設(shè)器件和 i/o端口、圖像控制器等。 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn) 嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)同通用型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比具有以下特點(diǎn) ： (1) 嵌入式系統(tǒng) 通常是面向特定應(yīng)用的 嵌入式 CPU 與通用型的最大不同就是嵌入式 CPU 大多工作在 為特定用戶群設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，它通常都具有低功耗、體積小、集成度高等特點(diǎn)，能夠把通用 CPU 中許多由板卡完成的任務(wù)集成在 芯片 內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng) 設(shè)計(jì)趨于小型化，移動(dòng)能 力大大增強(qiáng)，跟網(wǎng)絡(luò)的耦合也越來越緊密。 (4) 嵌入式系統(tǒng) 和具體應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合在一起，它的升級(jí)換代也是和具體產(chǎn)品同步進(jìn)行，因此 嵌入式系統(tǒng) 產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場(chǎng)，具有較長(zhǎng)的生命周期。它們之間的關(guān)系如圖 所示。 外圍設(shè)備是嵌入式系統(tǒng)中用于存儲(chǔ)、通信、調(diào)試、顯示燈輔助功能的其他部件。 應(yīng)用軟件是針對(duì)特定應(yīng)用領(lǐng)域，基于某一固定的硬件平臺(tái)，用來達(dá)到用戶預(yù)期目標(biāo)應(yīng)用軟件 嵌入式操作系統(tǒng) 硬件設(shè)備 嵌入式處理器 外 圍 設(shè)備 基于 ARM 的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā) 10 的計(jì)算機(jī)軟件。它的關(guān)鍵特性之一是允許實(shí)時(shí)應(yīng)用作為一系列獨(dú)特的任務(wù)來運(yùn)行，任務(wù)有各自的線程及系統(tǒng)資源。也就是說，某產(chǎn)品可以只使用很少的幾個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，而另一個(gè)產(chǎn)品則可能使用了幾乎所有的系統(tǒng)調(diào)用。 (3) 統(tǒng)一的接口 。 多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)操作方便、簡(jiǎn)單，并提供友好的圖形用戶界面 GUI。 嵌入式系統(tǒng)一旦開始運(yùn)行就不需要用戶過多的干預(yù)，這就要負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理的嵌入式 操作系統(tǒng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。輔助存儲(chǔ)器在嵌入式系統(tǒng)中很少使用。進(jìn)一步的產(chǎn)品則來自于 ARM 公司的合作伙伴，如 Intel 公司的StrongARM 產(chǎn)品和 XScale 微體系結(jié)構(gòu)等，不過 Intel 公司已經(jīng)于 2020 年將該架構(gòu)出售給 Marvell Technology Group Ltd 了。這些多功能 IC 的發(fā)展也拓寬了 ARM 處理器的應(yīng)用范圍。這些模塊分別用 T、 D、 M、 I、 E、 J、 S 等來表示，這些模塊一般從處理器的內(nèi)核版本上可以區(qū)分出來。 I：表示 Embedded ICE Logic，用于實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)觀測(cè)及變量觀測(cè)的邏輯電路部分，其中的 TAP 控制器可接入到邊界掃描鏈。 Jazelle 不是一個(gè)簡(jiǎn)單的加速硬件，它是融入于 處理器流水線之中的一項(xiàng)專門針對(duì) Java 指令執(zhí)行的硬件功能，使得 CPU 可以直接接收一部分 Java 指令，并加以譯碼執(zhí)行。而且 A R M 內(nèi)部集成了多級(jí)流水線 , 大大增加了處理速度。 ARM 處理器的應(yīng)用領(lǐng)域 ARM 具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。 (4) 消費(fèi)類電子產(chǎn)品 :ARM技術(shù)在目前流行的數(shù)字音頻播放器、數(shù)字機(jī)頂盒和游戲機(jī)中得到廣泛采用。到目前為止 ,RISC 體系結(jié)構(gòu)也還沒有嚴(yán)格的定義 ,一般認(rèn)為 ,RISC 體系結(jié)構(gòu)在專用微處理器領(lǐng)域要比傳統(tǒng)的 CISC 結(jié)構(gòu)有很大的優(yōu)勢(shì)。 2. ARM體系結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)格式 (1) 大端格 式：在這種格式下，字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié)存儲(chǔ)在地地址，而字?jǐn)?shù)據(jù)的低字節(jié)則存儲(chǔ)在高地址中。 (7) 未定義指令中止模式 (und)：當(dāng)未定義指令進(jìn)入該模式時(shí)，可用于支持硬件協(xié)處理器的軟件仿真。諾依曼）體系結(jié)構(gòu)，這種體系結(jié)構(gòu)將程序指 令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器合并在一起。其中的 ARM7 ARM720 和 ARM740 為內(nèi)帶 Cache 的ARM 核。該產(chǎn)品的典型用途是數(shù)字蜂窩電話和硬盤驅(qū)動(dòng)器等，目前主流的 ARM7 內(nèi)核是 ARM7TDMI、ARM7TDMIS、 ARM7EJS、 ARM720T。 2. ARM ARM9E 處理器 ARM9 處理器采用 ARMV4T（哈佛）體系結(jié)構(gòu)。與兩個(gè)存儲(chǔ)器相對(duì)應(yīng)的是系統(tǒng)中的 4 套總線，程序的數(shù)據(jù)總線和地址總線，數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總線和地址總線。時(shí)鐘速度為 120MHz~200MHz，每條指令平均執(zhí)行 個(gè)時(shí)鐘周期。常用于無線設(shè)備、儀器儀表、聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、機(jī)頂盒設(shè)備、高端打印機(jī)及數(shù)碼相機(jī)應(yīng)用中。主流的 ARM9E 內(nèi)核是 ARM926EJS、 ARM946ES、 ARM966ES 等。其中的 VFP10（向量浮點(diǎn)單元）為七級(jí)流水結(jié)構(gòu)。 4. SecurCore 處理器 SecurCore 系列處 理器提供了基于高性能的 32 位 RISC 技術(shù)的安全解決方案，該系列處理器具有體積小、功耗低、代碼密度大和性能高等特點(diǎn)。目前有 SA1 SA1100、SA1110 等 3 個(gè)版本。 ARM11 處理器系列以眾多消費(fèi)產(chǎn)品市場(chǎng)為目標(biāo)，推出了 許多新的技術(shù)，包括針對(duì)媒體處理的 SIMD，用以提高安全性能的 TrustZone 技術(shù)，智能能源管理（ IEM），以及需要非常高的、可升級(jí)的超過 2600 Dhrystone MIPS 性能的系統(tǒng)多處理技術(shù)。 (2) 外部擴(kuò)充存儲(chǔ)器（ FP/EDO/SDRAM 控制，片選邏輯）。仲裁 /BDMA(兩路 ) 外圍設(shè)備總線 GPIO（控制器） IIC 總線控制器 IIS 總線控制器 UART0、 1 同步輸入 /輸出口 PWM 定時(shí)器 0~ TCLK EXTCLK A/D 轉(zhuǎn)換器 看門狗定時(shí)器 實(shí)時(shí)時(shí)鐘 RTC 模擬量輸入 PC機(jī) 湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 19 第 4 章 嵌入式開 發(fā)環(huán)境的搭建 嵌入式交叉編譯環(huán)境的搭建 交叉編譯 嵌入式軟件開發(fā)所用的編譯為交叉編譯。要注意的是 ,編譯器本身也是程序，也要在與之對(duì)應(yīng)的某一個(gè) CPU 平臺(tái)上運(yùn)行。因此，嵌入式的交叉編譯也包括交叉編譯、交叉鏈接等過程。 嵌入式系統(tǒng)的交叉調(diào)試有很多種辦法，主要分為軟件方式和硬件方式兩種。 (3) 在目標(biāo)機(jī)上一般會(huì)具備某種形式的調(diào)試代理，它負(fù)責(zé)與調(diào)試器共同配合完成對(duì)目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行著的進(jìn)程的調(diào)試。此時(shí)，物理上雖然只有計(jì)算機(jī)，但邏輯上仍然存在著宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)的區(qū)別。 JTAG接口常用于實(shí)現(xiàn) ISP 功能，如對(duì) FLASH 器件進(jìn)行編程。其基本思想是在靠近芯片的輸入輸出管腳上增加一個(gè)移位寄存器單元。對(duì)于芯片的輸入管腳，可以通過與之相連的邊界掃描寄存器單元信號(hào)加載該管腳，也可以通過與之相關(guān)聯(lián)的邊界掃描寄存器捕獲該管腳上的輸出信號(hào)。一般的芯片都會(huì)提供幾條獨(dú)立的邊界掃描鏈，用來實(shí)現(xiàn)完整的測(cè)試功能。 ADS 是全套的實(shí)時(shí)開發(fā)軟件工具，包 編譯器生成的代碼密度和執(zhí)行速度優(yōu)異。該產(chǎn)品還包括 RealMonitor?（可以在前臺(tái)調(diào)試的同時(shí)斷點(diǎn)續(xù)存并且在不中斷應(yīng)用的情況下讀寫內(nèi)存跟蹤調(diào)試工具）。在 Windows 下可以通過超級(jí)終端對(duì)串口進(jìn)行配置，其中最主要的配置參數(shù)就是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗(yàn)位和數(shù)據(jù)流控制為等。通過這段程序，可以完成硬件設(shè)備的初始化，并建立內(nèi)存空間的映射湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 23 圖的功能，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，為最終調(diào)用的系統(tǒng)內(nèi)核做好準(zhǔn)備。 1． Bootloader 所支持的 CPU 和嵌入式開發(fā)板 每種不同的 CPU 體系結(jié)構(gòu)都有不同的 Bootloader。而 基于 CPU 構(gòu)建的嵌入式系統(tǒng)通常都有某種類型的固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備被映射到這個(gè)預(yù)先安排的地址上。啟動(dòng)加載模式也稱為“自主”模式 。從主機(jī)下載的文件通常首先被 Bootloader 保存到目標(biāo)機(jī)的RAM 中，然后再被 Bootloader 寫到目標(biāo)機(jī)的 FLASH 類固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備中。 Bootloader 啟動(dòng)流程 Bootloader 的啟動(dòng)流程一般分為兩個(gè)階段： stage1 和 stage2，下面分別對(duì)這兩個(gè)階段進(jìn)行講解： 1． Bootloader 的 stage1 在 stage1 中的 Bootloader 主要完成下面的工作： 基于 ARM 的嵌入式系統(tǒng)